Спекание однокомпонентных систем (часть 1)
При аналізі процесів, що супроводжують нагрівання порошкових тіл, виділяють шість стадій спікання: 1) розвиток і виникнення зв’язків між частками; 2) утворення й ріст “шийок” міжчасткових контактів; 3) закриття наскрізної пористості в порошковому тілі; 4) сфероідізація пор; 5) ущільнення порошкового тіла за рахунок усадки ізольованих пор; 6) укрупнення (коалесценція) пор.
Розвиток зв’язків між частками починається відразу з нагріванням порошкового тіла, тобто на самому ранньому етапі спікання. Це — дифузійний процес, що приводить до утворення й розвитку міжчастичних границь і, отже, збільшенню міцності й електропровідності порошкового тіла. Результат цієї стадії — виникнення “шейки”.
Ріст “шийок” контактів — природне продовження процесу міжчасткового зв’язування; його необхідна умова — перенос речовини в область міжчасткового контакту, що може бути здійснений за допомогою різних транспортних механізмів. Порошкове тіло стає більше міцним і електропровідним. У якийсь момент міжзерні (міжчастичні) границі починають переміщатися, і їхнє первісне розташування порушується. Спікаєме порошкове тіло за структурою наближається до стану двох безладно перемежованих фаз речовини й порожнечі. Звичайно вважають, що ріст “шийок” відбувається досить швидко й характеризує початковий етап спікання. Однак ця стадія може тривати й під час більше пізніх стадій спікання.
Закриття наскрізної пористості є результатом росту “шийок” і приводить до появи ізольованих груп пор або навіть окремих пор. При цьому загальний (сумарний) обсяг пор у порошковому тілі зменшується й відбувається його ущільнення (усадка).
Сфероідізація пор, як і попередня стадія, пов’язана з ростом “шийок”: речовина з деяких ділянок поверхні пор переміщається в область міжчасткового контакту, а самі пори (як ізольовані, так і сполучені) округляються, здобуваючи сферичність.
Усадка ізольованих пор — одна з найбільш важливих стадій спікання, що вимагає високих температур і досить тривалого нагрівання. Тільки її завершення може привести до одержання безпористого (компактного) порошкового тіла, але часто це виявляється економічно недоцільним або практично недосяжним.
Укрупнення (коалесценція) пор полягає в росту великих пор за рахунок зменшення розмірів і зникнення дрібних, ізольованих пор. Загальна пористість при цьому зберігається незмінної, а число пор зменшується при збільшенні їхнього середнього розміру.
У порошковому тілі, що нагрівається, можливі наступні механізми транспорту речовини: перенос через газову фазу; поверхнева дифузія; об’ємна дифузія; грузлий плин; плин, викликувана зовнішніми навантаженнями (гаряче пресування, спікання під тиском і подібні випадки).
Перенос речовини через газову фазу. Відповідно до моделі, що демонструє цей вид транспортного механізму (Рис. 1.15, а), речовина випаровується з опуклих ділянок часток і конденсується на ввігнутій поверхні контактних перешийків. Цей механізм часто називають “випар — конденсація”. Він повинен приводити до росту “шийок” і сфероідізації пор і буде діяти доти, поки в порошковому тілі зберігається помітна різниця в кривизні окремих ділянок поверхні роздягнула речовину — пора. Спрямований перенос речовини в зону міжчастичного контакту приведе до зміцнення й поліпшення електропровідності порошкового тіла, але не може викликати зміна його обсягу, тобто усадку. Цей механізм грає помітну роль лише у випадку матеріалів з відносно високим тиском пари при температурі спікання (не нижче 1-10 Па), тобто коли кількість перенесеного через газову фазу матеріалу може бути значним.
Поверхнева дифузія. Рухливість поверхневих атомів залежить від займаного ними місця. У порядку зростання рухливості їх можна розташувати в такий спосіб:
— найменш рухливі атоми, що перебувають усередині контактних ділянок,
— потім ідуть атоми на границях контактної ділянки,
— атоми в поглибленнях і западинах поверхні,
— атоми на рівних ділянках і,
— атоми на виступах поверхні часток. Тому що атоми на міжчастичних контактних ділянках менш рухливі, мають менший запас вільної енергії, чим на всіх інших ділянках поверхні, то від вільних, неконтактних ділянок до контактного переходить значно більше атомів, чим у зворотному напрямку, і відбувається розширення контактної ділянки (Рис. 1.15, б). Отже, при поверхневій міграції атомів пори будуть сфероідізуватися без зміни їхнього сумарного обсягу, тобто перенос маси по цьому механізмі не приводить до усадки порошкового тіла при спіканні.
Разом з тим, у збільшенні міцності міжчасткового зчеплення (основна ознака спікання) поверхнева й приповерхня міграції атомів грають дуже важливу роль. Поверхнева дифузія атомів приводить до вигладжування поверхні дотичних часток, а також забезпечує переміщення атома з поверхні більшої пори на поверхню більше дрібної пори (якщо вони повідомляються), тобто в положення більшої термодинамічної стійкості.